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2020-01-15Un nuevo enfoque para hacer partes de aviones

Noticias del MIT |La película de nanotubos de carbono produce compuestos de grado aeroespacial sin necesidad de grandes hornos o autoclaves.

El fuselaje de un avión moderno está hecho de múltiples láminas de diferentes materiales compuestos, como tantas capas en una masa de masa filo. Una vez que estas capas se apilan y moldean en la forma de un fuselaje, las estructuras se colocan en hornos y autoclaves del tamaño de un almacén, donde las capas se fusionan para formar una carcasa resistente y aerodinámica.

Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado un método para producir compuestos de grado aeroespacial sin los enormes hornos y recipientes a presión. La técnica puede ayudar a acelerar la fabricación de aviones y otras estructuras compuestas grandes y de alto rendimiento, como palas para turbinas eólicas.

Los investigadores detallan su nuevo método en un artículo publicado hoy en la revista Advanced Materials Interfaces.

"Si está haciendo una estructura primaria como un fuselaje o ala, necesita construir un recipiente a presión o autoclave, del tamaño de un edificio de dos o tres pisos, que a su vez requiere tiempo y dinero para presurizar", dice Brian Wardle, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT. “Estas cosas son piezas masivas de infraestructura. Ahora podemos fabricar materiales de estructura primaria sin presión de autoclave, por lo que podemos deshacernos de toda esa infraestructura ”.

Los coautores de Wardle en el documento son el autor principal y el postdoc MIT Jeonyoon Lee, y Seth Kessler de Metis Design Corporation, una compañía de monitoreo de salud estructural aeroespacial con sede en Boston.

Fuera del horno, en una manta

En 2015, Lee dirigió al equipo, junto con otro miembro del laboratorio de Wardle, en la creación de un método para hacer compuestos de grado aeroespacial sin necesidad de un horno para fusionar los materiales. En lugar de colocar capas de material dentro de un horno para curar, los investigadores esencialmente las envolvieron en una película ultradelgada de nanotubos de carbono (CNT). Cuando aplicaron una corriente eléctrica a la película, los CNT, como una manta eléctrica a nanoescala, generaron rápidamente calor, haciendo que los materiales dentro se curaran y fusionaran.

Con esta técnica fuera de horno u OoO, el equipo pudo producir compuestos tan fuertes como los materiales hechos en hornos convencionales de fabricación de aviones, utilizando solo el 1 por ciento de la energía.

Luego, los investigadores buscaron formas de hacer compuestos de alto rendimiento sin el uso de autoclaves grandes de alta presión, recipientes del tamaño de un edificio que generan presiones lo suficientemente altas como para presionar materiales juntos, exprimiendo cualquier vacío o bolsas de aire en su interfaz.

"Hay rugosidad superficial microscópica en cada capa de un material, y cuando juntas dos capas, el aire queda atrapado entre las áreas rugosas, que es la fuente principal de vacíos y debilidad en un compuesto", dice Wardle. "Un autoclave puede empujar esos vacíos hasta los bordes y deshacerse de ellos".

Investigadores, incluido el grupo de Wardle, han explorado técnicas "fuera de autoclave" u OoA, para fabricar materiales compuestos sin utilizar las enormes máquinas. Pero la mayoría de estas técnicas han producido compuestos donde casi el 1 por ciento del material contiene vacíos, lo que puede comprometer la resistencia y la vida útil de un material. En comparación, los compuestos de grado aeroespacial fabricados en autoclaves son de una calidad tan alta que los vacíos que contienen son insignificantes y no se pueden medir fácilmente.

"El problema con estos enfoques OoA es también que los materiales han sido especialmente formulados, y ninguno está calificado para estructuras primarias como alas y fuselajes", dice Wardle. "Están haciendo algunos avances en las estructuras secundarias, como las aletas y las puertas, pero todavía tienen huecos".

Presión de paja

Parte del trabajo de Wardle se centra en el desarrollo de redes nanoporosas: películas ultrafinas hechas de material microscópico alineado, como nanotubos de carbono, que pueden diseñarse con propiedades excepcionales, que incluyen color, resistencia y capacidad eléctrica. Los investigadores se preguntaron si estas películas nanoporosas podrían usarse en lugar de autoclaves gigantes para exprimir huecos entre dos capas de material, por poco probable que parezca.

Una película delgada de nanotubos de carbono es algo así como un denso bosque de árboles, y los espacios entre los árboles pueden funcionar como tubos delgados a nanoescala o capilares. Un capilar como una pajita puede generar presión en función de su geometría y su energía superficial, o la capacidad del material para atraer líquidos u otros materiales. 

Los investigadores propusieron que si una película delgada de nanotubos de carbono se intercalara entre dos materiales, entonces, a medida que los materiales se calentaran y ablandaran, los capilares entre los nanotubos de carbono deberían tener una energía superficial y una geometría tal que atraigan los materiales hacia cada uno. otro, en lugar de dejar un vacío entre ellos. Lee calculó que la presión capilar debería ser mayor que la presión aplicada por los autoclaves.

Los investigadores probaron su idea en el laboratorio haciendo crecer películas de nanotubos de carbono alineados verticalmente utilizando una técnica que desarrollaron previamente, y luego colocando las películas entre capas de materiales que generalmente se usan en la fabricación de estructuras de aviones primarios basadas en autoclaves. Envolvieron las capas en una segunda película de nanotubos de carbono, a la que aplicaron una corriente eléctrica para calentarla. Observaron que a medida que los materiales se calentaban y se ablandaban en respuesta, se introducían en los capilares de la película intermedia de CNT.

El compuesto resultante carecía de huecos, similar a los compuestos de grado aeroespacial que se producen en un autoclave. Los investigadores sometieron los compuestos a pruebas de resistencia, intentando separar las capas, con la idea de que los vacíos, si están presentes, permitirían que las capas se separen más fácilmente.

"En estas pruebas, encontramos que nuestro compuesto fuera del autoclave era tan fuerte como el compuesto del proceso de autoclave estándar de oro utilizado para estructuras aeroespaciales primarias", dice Wardle.

Luego, el equipo buscará formas de ampliar la película CNT generadora de presión. En sus experimentos, trabajaron con muestras de varios centímetros de ancho, lo suficientemente grandes como para demostrar que las redes nanoporosas pueden presurizar materiales y evitar que se formen huecos. Para que este proceso sea viable para la fabricación de alas y fuselajes enteros, los investigadores deberán encontrar formas de fabricar CNT y otras películas nanoporosas a una escala mucho mayor.

"Hay formas de hacer mantas realmente grandes de estas cosas, y hay una producción continua de láminas, hilos y rollos de material que se pueden incorporar en el proceso", dice Wardle.

También planea explorar diferentes formulaciones de películas nanoporosas, capilares de ingeniería de diferentes energías y geometrías superficiales, para poder presurizar y unir otros materiales de alto rendimiento.

"Ahora tenemos esta nueva solución de material que puede proporcionar presión bajo demanda donde la necesite", dice Wardle. “Más allá de los aviones, la mayor parte de la producción compuesta en el mundo son tuberías compuestas, para agua, gas, petróleo, todo lo que entra y sale de nuestras vidas. Esto podría hacer que hacer todas esas cosas, sin el horno y la infraestructura de autoclave ".

Esta investigación fue apoyada, en parte, por Airbus, ANSYS, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB, Saertex y Teijin Carbon America a través del Consorcio de Estructuras Aeroespaciales Compuestas Nano-Engineered (NECST) del MIT.

Escrito por: Jennifer Chu | MIT News Office

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